VoLTE关键性能指标分析

诺基亚通信科技公司 北京 100028

VoLTE是GSMA所定义的标准LTE语音解决方案，它既需要满足话音业务的编码和实时性要求，又需要满足LTE网络的承载特性，因此，VoLTE的业务特点、无线调度机制、网络体系结构、业务承载特性以及整体信令流程都相对比较复杂。只有充分了解其特点以及对应的关键指标，才能更好地保证VoLTE业务的质量要求，更好地进行VoLTE系统的维护和优化工作。本文结合理论与实际测试结果，从VoLTE业务和网络这两个方面对VoLTE性能指标进行分析和说明，有助于对VoLTE的性能体系建立全面的认识。

1 VoLTE基本业务特性

1.1 VoLTE话音编码方式

VoLTE系统中，采用AMR(Adaptive Multi-Rate，自适应多码率)话音编码方式，以提高话音质量传送的可靠性，满足不同无线条件下的性能需求。

窄带AMR编码方式(AMR-NB)采用20ms的话音帧，采样频率为8KHz，每帧对应160个采样点。AMRNB支持8种不同的编码速率，最高为12.2Kb/s，最低为4.75Kb/s。宽带AMR编码方式(AMR-WB)仍采用20ms的话音帧，但是其采样率增加一倍，变为16KHz，每帧对应320个采样点。AMR-WB支持9种不同的编码速率，最高速率为23.85Kb/s，最低为6.6Kb/s。各种AMR编码之间可以灵活转换，以保证不同网络负荷下质量和容量之间的均衡。

1.2 VoLTE话音包长度

VoLTE系统中，AMR编码采用RTP/UDP/IP协议进行承载。话音包经AMR编码后，由各低层协议封装并进行发送。

RTP报文由包头和数据部分组成，其包头一般为40到60字节，数据部分通常为20到160字节。将RTP包头进行压缩后，AMR话音帧长度约为23～165字节。举例来讲，AMR 12.2Kb/s有效载荷为244比特，增加各协议层包头及填充位，并经RoHC头压缩处理后，对应的物理层典型包长度约为41～43字节[1]。而宽带AMR 23.85Kb/s所对应的物理层典型包长度约为70字节。

不同AMR编码方式下，数据包大小有所区别，因此，吞吐量也存在差异[2]。即使同一编码方式下，是否采用RoHC对VoLTE速率也有明显影响。另外，由于不同数据包大小对MCS和PRB的数目要求也有区别，因此，现网中AMR模式和比例也会影响到PRB利用率和MCS均值。

1.3 VoLTE业务激活模型

VoIP话务模型中，通常包含激活(交谈)和静默2个状态。VoIP用户处于静默状态和激活(交谈)状态的比例各约占50%。激活期间，每20ms发送一次话音包；静默期间，每160ms发送一次SID(静默插入描述)，如图1所示。

图1 VoIP话务模型

LTE的最小发送时间(即TTI)为1ms，因此，VoLTE业务中，每20个TTI传送一个话音数据包。如果数据包的发送和接收在同一个TTI中进行，则其余时间手机都可以进入节电状态，使用DTX/DRX技术来降低静默期间的传送速率，提升系统容量。

DRX/DTX参数需要根据VoLTE特性进行配置，不同的参数配置对终端耗电的影响较大。

2 VoLTE业务层面性能指标

VoLTE业务性能指标主要包括话音质量、MCS与PRB利用率和单向话音时延等几个方面。其中，话音质量采用MOS(平均意见值)来衡量，MCS与PRB利用率由AMR话音包的大小所决定，单向话音时延则受调度算法和无线环境的影响。下面予以详细分析。

2.1 平均意见值(MOS)

ITU规定了多种VoIP话音质量评估标准，以便更准确地评估不同网络状况下的话音质量。对收听方的话音质量进行评估并判断MOS(Mean opinion Score，平均意见值)，是ITU P.800定义的一种话音质量评估方法。MOS取值从1到5，分为5级，数值越大表示话音质量越好。VoIP话音质量受多种因素的影响，如无线环境、编码方式、丢包、回声、延迟以及延迟抖动等。

不同AMR编码方式下，话音数据包有效载荷的长度不同，因此，所提供的话音质量也有区别。举例来讲，采用AMR-WB 23.85Kb/s编码时，其MOS值平均可以达到3.9，而采用AMR-NB 12.2Kb/s时，MOS均值则只有2.9，如图 2所示。

图2 不同AMR模式下的MOS值

下行BLER对MOS也会产生影响，如图3所示。

图3 下行BLER与MOS的关系

2.2 MCS与PRB利用率

MAC层调度过程中，TBS大小决定了MCS和PRB的取值。TBS固定时，MCS和PRB相互制约，MCS取值越高，PRB数目越少，反之亦然[3]。不同AMR模式下的物理层数据包大小不同，因此所需的MCS和PRB也有所区别。测试过程中，无线环境的差异会导致AMR的自适应变化，从而会影响PRB和MCS利用率指标。

以AMR12.2Kb/s为例，假定TBS包长度为328比特，则根据表1可知，如果ITBS为10，则对应2个PRB；如果ITBS为7，则对应3个PRB；如果ITBS为4，则对应4个PRB。ITBS越大，意味着MCS取值越高。可见不同无线环境下，平均PRB和MCS有所变化。

表1 PRB与ITBS对应关系

无线条件较差时，为保证话音质量，VoLTE还可以将一个数据包分成多个数据段(即Segment)进行传送。分段越多，每段所传送的包长度越小，所产生的包头开销越大，从而使得包的总长度有所增加，因此，所需的PRB和MCS也有区别。举例来讲采用1个数据段传送328比特时，包头为40比特，包头开销为12%，数据包总长度为328比特；采用2个数据段进行传送时，包头为80比特，数据包总长度为368比特，每个数据段长度为184比特，包头开销为22%；采用4个字段传送时，包头长度为160比特，每个数据段长度为112比特，包头开销为36%。以ITBS=2为例简单估算数据包总长度所需的PRB数目，则数据段数目为1时，总共需要8个PRB，2个数据段时需要10个PRB，4个数据段时需要12个PRB。

2.3 单向话音时延

VoIP端到端时延也称为口到耳(Mouth-to-Ear，M2E)时延。LTE网络中，VoIP数据包经过编码和压缩后进行发送，传送过程中M2E时延主要包括空中传播时延、核心网传输时延、组包时延以及抖动缓存时延等。单向时延受无线环境影响和系统负荷影响较大，因此，需要针对具体情况进行分析和优化。

对于话音业务来说，可接收的最大口到耳时延大约为250～300ms。假设核心网络的时延约为100ms，则RLC和MAC层缓存、调度和检测过程中可以容忍的时延应当小于150～200ms。3GPP所要求的eNodeB与UE之间的空口时延为50ms，在50ms的空口时延范围内，如果单个VoIP用户的话音帧发送成功率小于98%，就认为此用户无法正常使用VoIP业务。

优化和测试过程中需要着重降低和消除时延抖动，以提升单向话音时延指标。

3 VoLTE网络特性和性能指标

VoLTE业务过程中主要涉及EUTRAN、EPC以及IMS系统。其中，EUTRAN无线系统用于提供无线业务接入，EPC系统用于提供业务承载，IMS(IP多媒体子系统)系统用于实现业务控制功能，它们三者共同完成端到端的LTE语音和视频通信业务。此外，还需要采用PCC架构实现用户业务QoS控制以及计费策略的控制等功能。

3.1 VoLTE网络特性

VoLTE系统中，需要传送IMS控制消息、话音信息以及数据业务。用户面话音数据采用RTP/RTCP协议进行承载，控制面消息采用SIP协议经由IMS网络进行传送。根据3GPP规定，QCI1适用于对实时性要求较高的GBR类业务(如话音业务)；QCI5专门用于IMS信令，其丢包率要求更严格；QCI9则适用于缓存视频流业务或者基于TCP的各类业务。中国移动集团VoLTE测试过程中，要求建立3个DRB，其中IMS信令(SIP)采用QCI5的缺省承载，语音采用QCI1的专用承载，数据采用QCI9的缺省承载，如图4所示。

图4 VoLTE数据无线承载

LTE用户进行VoLTE业务时，需要经过无线连接建立、EPS附着、IMS注册、呼叫建立、呼叫保持以及呼叫释放等过程。各个过程的主要作用如下。

1) LTE网络附着。UE在LTE系统下附着，并建立数据业务缺省承载(QCI9)。

2) IMS注册。UE注册到IMS网络中，并建立IMS业务缺省承载(QCI5)。

3) 主叫业务。用户发起主叫业务时，通过SIP消息触发VoIP进程建立和专用承载(QCI1)建立过程。呼叫完成后，通过SIP消息释放进程连接和专用承载。

3.2 VoLTE网络性能指标

呼叫过程中，UE需要建立RRC连接和E-RAB，因此，RRC和E-RAB相关的性能指标是首先需要关注的关键指标。另外，考虑到UE的移动性，切换相关的指标也非常重要。LTE核心网关键指标则包括UE与EPS之间相关连接的性能信息，决定了是否能够成功建立VoLTE业务。

VoLTE建立过程中，首先需要保证良好的LTE无线性能指标，如RRC连接建立成功率、E-RAB建立成功率、E-RAB掉线率、EPS附着成功率等。除此之外，VoLTE业务相关的网络层关键指标还包括以下5项。

1) VoLTE PDN连接/激活成功率。VoLTE业务中，UE与IMS以及Internet之间分别建立不同的PDN连接，并采用不同的QCI来进行表示。由于QoS特性不同，对系统应用和用户感知的影响也有所区别，因此，需要对不同QCI的PDN连接激活成功率分别进行分析。比如，呼叫过程中，VoLTE需要采用QCI=1的专用承载来传送话音信息，因此VoLTE专用承载是VoLTE业务进行的基础。

2) IMS初始注册成功率。附着在LTE网络中的UE需要发起到IMS的注册过程，以便接收IMS服务。UE发送SIP Register消息到P-CSCF，完成I-SCSF鉴权以及服务器设定等过程后才能够注册成功。如果鉴权失败，UE就无法注册到IMS网络中，从而无法实现后续VoLTE业务。因此，IMS初始注册成功率决定了UE是否能够通过IMS建立VoLTE业务。

3) IMS平均进程建立时延和成功率。UE发起SIP Invite到P-CSCF后，如果接收到SIP 180 Ringing消息，就表示主叫业务成功建立。完整的VoIP呼叫包括3段连接，即主叫UE到主叫侧VoIP应用服务器的连接，主被叫侧VoIP应用服务器之间的连接，以及被叫侧VoIP应用服务器到被叫之间的连接。

由于涉及网元和信令流程较多，因此，平均主叫进程建立时延和成功率是VoLTE的关键指标。被叫忙或者其他原因建立的失败都对用户感知造成很大影响。平均被叫进程建立时延和成功率也是需要重点关注的指标。

4）切换中断时间和成功率。SRVCC切换过程中，话音中断时间可以采用RTP包在源小区和目标小区中的中断时间来衡量。根据3GPP TS22.278的要求[4]，VoLTE业务采用SRVCC方式从EUTRAN切换到UTRAN时，话音中断时延不能大于300ms。从切换过程看，SRVCC过程中用户通话中断主要是由于IMS核心网过程导致的，另外，SRVCC信令过程的复杂性也将影响切换成功率。

实际网络中，为了满足语音业务的实时性要求，切换单向时延应小于150ms，而切换成功率应大于95%。

5) 呼叫建立时延。处于空闲状态的UE发起Service Request时，需要进入到RRC连接状态，然后通过SIP Invite过程建立VoLTE会话连接。从用户的角度讲, 呼叫建立时延是从主叫方拨号开始到主叫用户听到振铃音的时间。从信令上看，如果假定用户已经通过RRC连接附着到网络上，则呼叫建立时延就是从主叫UE发送SIP Invite到主叫接收到SIP 180 Ringing消息或者200 OK(Invite)消息为止。

消息超时、网络失败或者鉴权失败等问题都可能导致呼叫建立失败。如果UE处于IDLE状态，则首先需要建立RRC连接，此时RRC建立过程就是呼叫建立的一部分，所以RRC连接以及DRB(QCI1)直接影响VoLTE呼叫建立成功率。通常我们可以假定话音呼叫进行前缺省承载(QCI9)和IMS信令专用承载(QCI5)已经存在，则其建立过程与呼叫建立成功率无关。

4 VoLTE测试结果举例

中国移动通信集团公司制定的VoLTE KPI指标分类和定义中，主要采用AMR-NB 12.2Kb/s(又称为标清话音)和AMR-WB 23.85Kb/s(又称为高清话音)进行测试，并将VoLTE关键指标大致分为以下3类[5]。1)资源占用类。主要考虑无线特性相关的指标，如上下行PRB数和MCS、上行终端发射功率、GSM通话时长占比以及呼叫SRVCC切换占比。2)话音质量类。包括MOS及其相关的时延、抖动、速率等指标。时延则包括呼叫建立时延、IP包时延、端到端时延、切换中断时延及话音挂机时延等方面。3)KPI指标类。主要包括IMS附着成功率、话音接通成功率、切换成功率、寻呼成功率、平均呼叫保持时间、掉话率及里程掉话比等。以下对部分关键性能现网测试结果进行举例分析和说明。

4.1 VoLTE速率

采用RoHC之后，AMR-NB 12.2Kbps和AMR-WB 23.85Kb/s的物理层数据包长度约为328比特和560比特，其对应的速率约为16Kb/s和28Kb/s。不使用RoHC时，速率和带宽需求则较高。对RoHC启用与否的情形进行对比测试，结果如图5所示。

图5 VoLTE中RoHC启用与否测试结果举例

VoLTE属于上下行对称业务，以采用RoHC为例，测试结果表明上下行速率大致相似，如图6所示。

图6 VoLTE上下行速率测试结果举例

4.2 话音质量MOS

采用MOS测试盒对某网络进行拉网路测，结果如图7所示。可见，在SINR值大于3的时候，标清话音的MOS表现较为平稳，基本都保持在3.2左右，SINR小于3之后，标清MOS值开始出现波动，并呈现下降趋势。

图7 VoLTE标清(12.2Kb/s)话音MOS路测结果举例

4.3 PRB/MCS分析

以高清业务拉网测试结果为例分析对比PRB与MCS之间的关系。

如图8所示，随着RSRP的降低，上行PRB数变化趋势不明显，基本可稳定在2个左右。上行MCS随RSRP降低呈下降趋势，但由于上行干扰较小，其下降趋势不明显，RSRP为-115时仍在10以上。

图8 上行PRB/MCS随RSRP变化举例

如图9所示，在SINR大于10的时候，下行PRB数稳定在4个，SINR小于10后呈上升趋势。下行MCS随SINR降低而降低，在SINR=-7时降低到0。

图9 下行PRB/MCS随SINR变化举例

4.4 呼叫建立时延

VoLTE呼叫建立时延与成功率受UE状态、无线环境、系统负荷以及网络结构等因素的影响。

采用主叫侧Invite到Ringing之间时延作为IMS呼叫时延，则实际测试结果表明，被叫侧Invite时延仅为30ms，而主叫侧Invite时延则接近1s。考虑RRC建立时间时，需要考虑主被叫UE所处的状态。主被叫UE都处于RRC空闲模式时，呼叫建立时延接近2s，而对于主被叫都处于RRC连接模式的UE，其VoLTE呼叫建立时延则远小于1s[5]。

现网中需要考虑各种因素，如终端和核心网络会影响端到端呼叫建立时延。

5 总结

VoLTE业务性能测试和优化工作中，需要针对VoLTE业务特性和VoLTE网络特性分别进行分析，这样才能全面提升VoLTE系统的性能指标。VoLTE业务相关的话音质量(MOS)、调度特性(PRB和MCS关系)以及话音业务的单向时延(M2E时延)等指标直接表征VoLTE的业务质量，而LTE系统中和IMS系统中的一些常规性能指标以及VoLTE相关的性能指标，如注册成功率、RRC/E-RAB建立成功率、IMS业务建立时延和掉线率等指标都会直接影响业务质量，从而影响客户感知。只有全面提升VoLTE业务指标和LTE/IMS网络指标，才能更好地完成VoLTE端到端优化工作。

参考文献

[1]陈书贞,张旋,王玉镇,等.LTE关键技术与无线性能[M].北京:机械工业出版社(第1版),2012

[2]Voice over LTE (VoLTE) Optimization[EB/OL].[2015-06-10].http://networks.nokia.com/sites/default/files/document/nokia_volte_optimization_white_paper_071114.pdf

[3]3GPP TS36.213 V9.3.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical layer procedures(Release 9)[S]

[4]3GPP TS22.278-8a0 Service requirements for the Evolved Packet System (EPS)(Release 8)[S]

[5]Anehill M,Larsson M,Strömberg G,et al.Validating voice over LTE End-to-End[EB/OL].[2015-06-10].http://www.ericsson.com/res/thecompany/docs/publications/ericsson_review/2012/er-volte-performance.pdf